Difference between revisions of "Zentrale"

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Da dieses Projekt eine persönliche Entwicklung von mir ist bleibt es nicht aus das einige Protokolle nicht 100%tig unterstützt, oder mit kleineren Ungenauigkeiten Implementiert wurden. Hier eine Auflistung der bekannten Bugs:
 
Da dieses Projekt eine persönliche Entwicklung von mir ist bleibt es nicht aus das einige Protokolle nicht 100%tig unterstützt, oder mit kleineren Ungenauigkeiten Implementiert wurden. Hier eine Auflistung der bekannten Bugs:
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:* keine DCC Ausgabe bei v4.92 bei der Verwendung des ESP32 als Zentrale
 
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:*  (gelöst, ab [[Special:MyLanguage/Zentrale#Arduino_Z21_DCC_Zentrale_Sketch|v4.88]]) Nicht korrekte Initialisierung von EEPROM-Werten beim allerersten Aufspielen der Software.
 
:*  (gelöst, ab [[Special:MyLanguage/Zentrale#Arduino_Z21_DCC_Zentrale_Sketch|v4.88]]) Nicht korrekte Initialisierung von EEPROM-Werten beim allerersten Aufspielen der Software.

Revision as of 20:47, 21 June 2021

Eigenbau | Zentrale | Z21 mobile | XpressNet | LocoNet | Booster

Arduino UNO Version | Arduino MEGA Version | ESP32 Version | Sanguino Version

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Grundlage

Zentrale in Eurobox
Modellbahn DCC Zentrale mit Netzwerk, XpressNet und LocoNet Anschluss
Anschlüsse der Z21 DCC Zentrale

Die komfortable aber sehr teure Modellbahnsteuerung Z21 von Roco und der genutzte XpressNet-Bus brachte mich auf die Idee, eine eigene Zentrale zu entwickeln. Im Mittelpunkt dieser Idee, stand die Absicht, die dort eingebrachte umfangreiche Hardware zu reduzieren bzw. durch Software zu ersetzen. Die Eigenbauzentrale sollte auch ein Netzwerk Interface (für APP und PC), XpressNet, S88 und LocoNet Bus bereitstellen.
Hier wird der Aufbau einer Z21 DCC Digitalzentrale auf Basis eines Arduino (Arduino MEGA über AliExpress ab 7,30 Euro) zur Steuerung der Modellbahn über das Z21 LAN Protokoll beschrieben. Auf den Arduino MEGA wird in der Grundversion dazu ein Ethernet Shield mit dem W5100 Chip (bei AliExpress ab 4,80 Euro), aufgesetzt. Mit diesem Ethernet Shield, kann der Arduino MEGA in ein bestehendes Netzwerk integriert werden und über einen Router mit WLAN mit Handreglern oder der Computersoftware zum Beispiel Rocrail kommunizieren. Durch Erweiterungen lässt sich zum Beispiel ein WLAN AP/Client mittels ESP8266 in die Zentrale integrieren.

Funktionsumfang

  • 29x Funktionen (Licht F0, F1 bis F28) steuerbar,
  • bis zu 2048 Weichen schalten,
  • externer Booster Ausgang für ROCO 10761/10764 Digitalverstärker oder CDE-Anschluss
  • integrierter DCC Booster mit RailCom® Cutout (beliebiger H-Brückentreiber [L6206N, L298N] mit Kurzschlusserkennung über ACK-Sense oder TLE5205 bis 5A)
  • RailCom® Cutout über Z21 mobile App Einstellungen de/-aktivierbar (Support ab v4.76)
  • CV lesen und schreiben (optionaler Programmiergleisausgang) (Support ab v4.75)
  • Globaler RailCom® Detector für POM, programmieren am Hauptgleis (nur für Arduino MEGA)
  • Standard Fahrstufen im Sketch auswählbar (14/28/128)
  • schnellere Abfrage von Clients und CV schreiben (Support ab XpressNetMaster Library v2.0)
  • NEU: Automatisch Umschaltung zwischen Master (Zentrale) und Slave (Endgerät)
  • Support für F9 bis F28 von Uhlenbrock
  • LocoNet-Client Mode (Slot-Server abschaltbar) für den Anschluss an der Intellibox
  • Programmierung von LocoNet LNCV über die Z21 mobile APP
  • LocoNet Booster Interface (LocoNet B)
  • NEU: LocoNet Fahrtrichtung invertiert für Client-Mode an Intellibox (Support ab v4.92)

Notes

Informationen und Austausch zum Aufbau finden sich im Stummis Modellbahnforum.

bekannte Bugs

Da dieses Projekt eine persönliche Entwicklung von mir ist bleibt es nicht aus das einige Protokolle nicht 100%tig unterstützt, oder mit kleineren Ungenauigkeiten Implementiert wurden. Hier eine Auflistung der bekannten Bugs:

  • keine DCC Ausgabe bei v4.92 bei der Verwendung des ESP32 als Zentrale
  • (gelöst, ab v4.89) Keine Statusanzeige von LocoNet Belegmeldern in der Z21-App auf mobilen Geräten.
  • (gelöst, ab v4.88) Nicht korrekte Initialisierung von EEPROM-Werten beim allerersten Aufspielen der Software.
  • (gelöst, ab v4.86) Aufhängen der Zentrale beim öffenen des Stellpult mit der Android Z21 App. (Stellpult Bug)
  • (gelöst, ab XpressNetMaster Libary v2.9.0) Beim CV lesen am XpressNet hängt sich die Multimaus auf.

Gerne nehme ich Anregungen und Probleme auf: Email oder diese können auch im Stummis Modellbahnforum diskutiert werden.

Hardware

Die Arduino Z21 DCC Zentrale erzeugt mithilfe der DCCInterface Library und dem Timer1/Timer2 (wählbar) ein DCC-Signal. Die Zentrale unterstützt je nach gewünschtem Funktionsumfang verschiedene Protokolle. Jedes dieser Protokolle benötigt um mit der Zentrale kommunizieren zu können ein eigenes Interface. Außerdem muss das jeweilige Protokoll im Sketch in der „config.h“ aktiviert werden (Durch "//" vor dem #define oder #include wird das jeweilige Protokoll deaktiviert!).


LAN Interface

Das LAN-Interface kann mittels "#define LAN" im Sketch aktiviert werden. Es stellt die Kommunikation der Z21 Protokoll Library über das Kabel gebundene W5100 Arduino Shield bereit. Die IP-Adresse um das LAN-Interface zu erreichen ist Standardmäßig fest auf 192.168.0.111/24 eingestellt und wird nicht automatisch über DHCP bezogen. NUR über das Webinterface (Webseite) kann die IP-Adresse geändert werden. Das Webinterface muss dafür im Sketch mittels #define HTTPCONF" aktiviert sein und der Client muss sich im entsprechenden Netzwerkbereich befinden! Ein Reset der IP-Adresse kann beim Einschalten der Zentrale (Betriebsspannung) und gleichzeitigem Drücken des Power On/Off Taster durchgeführt werden (DCC LED blinkt schnell, solange der Taster gerückt wird).

Bei der Verwendung am Arduino UNO mit WLAN über Software Serial, 
kann das LAN-Interface nicht aktiviert werden!

Wenn nach dem Einschalten der Zentrale keine Verbindung über die Ethernet-Schnittstelle (W5100) möglich ist und diese nach dem Drücken von RESET auf dem LAN Interface sich aufbaut, dann muss ein 1uF Kondensator, C- nach GND 0V, C+ nach RESET auf dem Shield installiert werden. Das LAN W5100 Board ist dann immer direkt nach Power on (ohne Betätigung der Reset Taste) erreichbar.

DCC Input Interface

Mit Hilfe des DCC Fremdeingang wird der DCC Datenstrom einer angeschlossenen DCC Zentrale mit in das eigene DCC Signal integriert. Hierbei erfolgt keine Rückkommunikation zu der externen Zentrale. Der Anschluss kann verwendet werden um zum Beispiel eine Piko Fern / Digi 1 (55019) zu nutzen. Da kein Timer zur Dekodierung notwendig ist läuft ist diese Integration unter allen Zentralen-MCUs möglich. Um das DCC-Interface zu verwenden, muss dies mittels #define DECODER im Sketch aktiviert werden.

Wird in den aktuellen Versionen nicht mehr unterstützt!

XpressNet Interface mit Booster Support (externer Booster)

Arduino XNet Booster Interface (Eagle)

Wenn ein preisgünstiger ROCO Booster 10761, 10764 oder Freischmann Digitalverstärker 680801 bereits vorhanden ist, kann dieser als externer Booster genutzt werden. Dafür reicht ein XpressNet-Interface ohne die Funktionalität des MAX485 aus. Die dafür notwendige Kurzschlusserkennung ist in der Software der Zentrale integriert. Im Sketch muss der externe Booster aktiviert werden:
#define BOOSTER_EXT
#define BOOSTER_EXT_ON HIGH
#define BOOSTER_EXT_OFF LOW

Um eine Kommunikation mit der Lokmaus2 oder Multimaus herzustellen, ist ein XpressNet-Interface mit dem MAX485-Treiber notwendig. Die Z21 Zentrale arbeitet dann wie ein XpressNet Master für die LokMaus2 oder MultiMaus. Es können dabei bis zu 31 XpressNet Slaves (Clients) an die Arduino Z21 DCC Zentrale angeschlossen werden.

Aktivierung des XpressNet-Interface im Sketch mittels:
#define XPRESSNET
#include <XpressNetMaster.h>

In der rechts dargestellten Schaltung ist der Aufbau der DCC Ansteuerung des ROCO Boosters 10761 und das XpressNet-Interface dargestellt. Am XpressNet-Interface sind möglicherweise noch zusätzliche Pull Up/Down und/oder eine XpressNet Bus-Terminierung an der Leitung A und B notwendig (siehe XpressNet Hardware).

Das XpressNet Interface untersützt die automatische Umschaltung zwischen Master und Slave Betrieb. Daher ist es möglich eine Koppelung über XpressNet mit einer vorhanden Zentrale herzustellen um die Z21 Funktionalitäten per Ethernet oder WLAN an dieser nutzen zu können.

LocoNet

Arduino LocoNet Master und S88N Interface (Eagle)

Durch die Integration eines LocoNet-Interface ist es möglich die Arduino Z21 Zentrale mit der Intellibox zu verbinden oder mit LocoNet-Handregler wie den Fred zu nutzen. Um den Fred nutzen zu können muss in der Software der notwendige LocoNet Slot-Server aktiviert werden, dann ist ein Anschluss an der Intellibox (welche bereits einen Slot-Server integriert hat) nicht mehr möglich. Die LocoNet Library nutzt zur Signalerzeugung im Arduino UNO den Timer 1 und im Arduino MEGA den Timer 5. Aktiviert wird das LocoNet-Interface mittels:
#define LOCONET
#include <LocoNet.h>

Der Slot-Server kann mittels #define LnSLOTSRV zugeschaltet werden. Für den Betrieb als LocoNet Client muss der Slot-Server inaktiv sein. Sollen alle Lokinformationen ins LocoNet (auch ohne explizite Anfragen) übermittelt werden, muss #define TXAllLokInfoOnLN true gesetzt werden. Dies kann sinnvoll sein, wenn eine Steuerungssoftware über LocoNet mit der Zentrale kommuniziert.
Beachte: Das LocoNet-Interface unterstützt jetzt auch die Funktionen bis F28!

LocoNet-B

Arduino LocoNet-B Anschluss

Zum Anschluss eines LocoNet-Booster (Uhlenbrock 63240 Power 4 oder ähnliches) wird am LocoNet-Bus auf den Leitungen 1 und 6 (Raildata) ein DCC-Signal benötigt. Für die Erzeugung des Signals mit einem 12 Volt Pegel wird ein kleiner 1A H-Brückentreiber IXYS IXDF604PI in 8-Pin PDIP Bauform genutzt. Dieser wird angesteuert vom DCC-Signal (PIN 6) oder beim Arduino MEGA über den seperaten PIN 11, wo ein konstantes DCC-Signal ausgegeben wird. Dies kann direkt an IN A und IN B des IXYS angelegt werden. Die Signalisierung für das An- und Abschalten oder bei Kurzschuss des Booster erfolgt mittels LocoNet-Befehlen an die Zentrale.

Hinweis: Eine Unterstützung erfolgt ab Software v4.83!

S88N

Arduino S88 Singel Master Schaltplan

Rückmeldungen können mit dem S88N-Interface an die Steuersoftware weitergeleitet werden. Es werden bis zu 62 Rückmeldemodule mit 8 Eingängen unterstützt. Einstellungen zur Anzahl der abzufragenden Module lassen sich über die Webkonfiguration mittels LAN oder WLAN vornehmen. Aktiviert wird das S88-Interface mittels:
#define S88N
Hinweis: Ab ca. 5 Modulen sollte ein Ausgangstreiber 74HC244 für den S88 Bus verwendet werden.

Da durch den Aufbau des S88-Bus eine "Verkettung" erzeugt wird, nimmt die Geschwindigkeit des Auslesens der Zustände ab, umso mehr Module genutzt werden. Da nicht immer eine komplette Kette mit 62 Rückmeldemodulen angeschlossen ist, sollte die Anzahl der maximal abzufragenden Module in der Software begrenzt werden. Dies erfolgt über das vom LAN- oder WiFi-Interface bereitgestellt Webinterface (Webseite).

interner Booster mit Railcom

TLE Booster3R für Railcom (Eagle)
Booster mit L6203

Der interne Booster wird für den Anschluss eines Programmiergleis als auch für das Hauptgleis verwendet. Damit keine Programmiernachrichten auf das Hauptgleis gelangen ist dort ein Relais vorgeschaltet, welches bei der direkten Programmierung das Hauptgleis abschaltet. Die Aktivierung im Sketch erfolgt mittels:
#define BOOSTER_INT

global RailCom Detector (Eagle)

Ab der Softwareversion v4.70 ist es möglich Railcom zu aktivieren. Um die für Railcom notwendige Abtastlücke zu erzeugen, muss der interne Booster wie folgt angeschlossen werden. Für die Ansteuerung des Booster wird nun ab v4.70 auch das DCC Signal auf den GO/STOP2 Pin (Booster intern) negiert ausgegeben. Der Anschluss des internen Booster erfolgt damit so: "DCC = DCC1", DCC2 des Booster muss an GO/STOP2 (NDCC) angeschlossen werden.
Seit der Softwareversion v4.88 ist nun der Booster mit dem H-Brückentreiber L6203 als Standard definiert. Der zuvor genutzte TLE5206 ist leider nicht mehr lieferbar und musste deshalb ersetzt werden.

Soll eine Kurzschlusserkennung über den Messwiderstand (SENCE) erfolgen muss dies 'aktiviert' werden:
#BOOSTER_INT_CURRENT_SHORT_DETECT
Zur Anzeige der Stromaufnahme zum Beispiel in Rocrail über einen Messwiderstand (SENCE) muss im Sketch #define BOOSTER_INT_MAINCURRENT aktiviert werden.

Damit ist nun auch künftig möglich ist eine H-Brücke mit Kurzschlussdetection (zum Beispiel TLE5206-2 mit 5A) weiter zu nutzen kann der "SHORT2" über im Sketch mittels #define BOOSTER_INT_TLE5206 aktiviert werden. Im anderen Fall kann der "SHORT2" auch für die Kurzschlusserkennung eines externen CDE-Booster genutzt werden, dies ist mittels #define BOOSTER_EXT_CDE zu aktivieren.

Bei der Verwendung von einem Booster ohne Kurzschlusserkennung 
(z.B. L6203 / L298n), muss diese mittels SENCE Widerstand erfolgen 
und im Sketch auch aktiviert sein!


Am Ausgang des Booster3R kann ein allgemeiner Railcom Detector angeschlossen werden. Über diesen können beim Programmieren mittels POM die CV-Daten von Dekodern auf dem Hauptgleis ausgelesen werden. Der RailCom Detector muss zwischen TLE Ausgang RAIL_1/RAIL_2 und dem Prog. Relais installiert werden. Bei der MEGA Variante wird "RAILCOM_RX" mit dem Serial3 Port verbunden. Ein Pull-Up von 100k kann für eine bessere RailCom Erkennung optional am Ausgang des UND installiert werden.

WiFi (WLAN Add-On)

ESP Arduino WiFi Modul
ESP Serial Anschluss (Eagle)

Für die WiFi-Kommunikation bei der Verwendung keines ESSP32 wird das ESP82660-01 Modul oder ein WeMos D1 Mini eingesetzt. Das ESP-Modul benötigt ein eigenes Sketch, welches im Downloadbereich heruntergeladen werden kann. Das ESP-Modul verbindet sich mittels Serial mit der Zentralen-MCU. Anschluss ESP8266 WLAN-Modul:

  • Arduino UNO = Serial (0,1) [oder über Software Serial (13,12)]
  • Arduino MEGA = Serial2 (16,17)
  • andere = Serial (0,1)

Die Kommunikation mit dem ESP erfolgt nicht mittels AT-Befehlen, sondern über ein modifiziertes Z21 LAN Protokoll mit Client-Erkennung (Sketch für ESP im Downloadbereich). Da das ESP-Modul mit 3,3Volt (ca. 200mA) arbeitet ist ein extra Spannungsregler und Pegelwandler auf dem WLAN-Interface zu installieren. Die zwei Taster auf dem Adapter im Bild, sind für das aufspielen des Sketch (Firmware-Update) und Reset beim ersten installieren des ESP-Moduls nötig. Programmiert wird das ESP wie ein Arduino, aus einer angepassten Arduino IDE heraus.
Für den Anschluss an der Zentrale können die auf dem Adapter installierten Taster und LED entfallen! Diese sind nur für die einmalige Programmierung notwendig.

Um WLAN in der Zentrale bei der Verwendung einer Hardware ohne integriertes WiFi zu aktivieren muss folgende Zeile einkommentiert werden:

#define WIFI

Das ESP8266 stellt einen AcessPoint (AP) bereit. Über diesen kann mithilfe eines Webbrowser (http://192.168.0.111) die Standard-Einstellungen (SSID "Z21_ESP" und Passwort "12345678") und der WLAN Client-Betrieb (Client-Mode) an einem vorhandenen WLAN-Router konfiguriert werden. Wenn das S88-Interface genutzt wird, kann über das Webinterface auch die Modulanzahl angepasst werden.

Optional kann auch ein WeMos D1 Mini Board mit ESP8266 als fertiges Board für das WiFi-Interface genutzt werden.

Debugging (optional)

Um im Bedarfsfall interne Daten über den Serial Monitor überwachen zu können, gibt es dafür eine Debug-Ausgabe. Diese muss beim Arduino UNO und aktivem XpressNet oder WLAN komplett deaktiviert sein!
Aktiviert wird das Debugging mittels: #define Debug Serial
#define DebugBaud 115200 muss auch aktiviert werden und legt die Geschwindigekeit fest.
Einstellung welche Daten/Protokolle ausgegeben werden sollen:
#define DEBUG Ausgabe von Einstellungen und Softwareversion
#define REPORT Ausgabe der Zustände von S88 Rückmelder
#define LnDEB Ausgabe LocoNet Kommunikation
#define XnDEG Ausgabe XpressNet Kommunikation
#define Z21DEBUG Ausgabe Z21 Protokoll Kommunikation
#define Z21DATADEBUG Ausgabe RAW Daten des Z21 Protokoll
#define Z21SYSTEMDATADEBUG Regelmäßige Ausgabe der Systemwerte
#define DEBUG_WLAN_CONFIG Konfiguration des ESP8266 Interface mit IP-Adressen, SSID, Passwort, etc.
#define RCDEB RailCom RAW Daten werden ausgegeben.

Software

Die Software ist mit der Arduino IDE geschrieben.

Arduino Plug-In: Anpassung der Arduino IDE für die Funktion mit Sanguino oder ESP-Modul sind unter Arduino#Hardware beschrieben.

Das Sketch kann universal für den Arduino UNO [eingeschränkt], Arduino MEGA, Sanguino Mikroprozessor ATmega1284p oder auf dem ESP (ab Sw. v4.91) eingesetzt werden. (Übersicht Arduino Mikroprozessoren)

Z21 WLAN Add-On Sketch

Diese Software ist für das WLAN Add-On basierend auf dem ESP8266 für die Arduino Z21 DCC Zentrale (Arduino NANO/UNO/MEGA version) notwendig. Sie muss in das ESP8266, mit Hilfe der Arduino IDE, hochgeladen werden. Die Software beinhaltet einen AJAX Webserver zur Konfiguration und die Option die S88-Modulanzahl zu ändern. Außerdem ist ein Reset Fall-back (Timeout) des Daten-Buffer für die Serial-Kommunikation zur Arduino Z21 DCC Zentrale implementiert. Zu beachten ist, dass es sich hierbei nur um das Sketch handelt welches für das WLAN-Modul notwendig ist, dies ist keine eigenständige Zentrale.
Info: Bei Konfigurationsänderungen am AccessPoint (AP) wird dieser beim Speichern automatisch neu gestartet - es erfolgt dadurch keine Rückmeldung oder Bestätigung des Speichervorgangs! Eine freie Kanalauswahl (1-13) für den AP ist nur möglich, wenn keine Client Verbindung besteht.

  • NEU v32: Übertragung des Client-IP-Hash zur Identifizierung der angemeldeten Clients
  • Fix v32: leere/falsche Darstellung der SSID und Passwort, wenn keine Daten im EEPROM vorhanden sind.
  • Fix v27: Akzeptiert jetzt auch eine SSID mit nur einem Zeichen.

Arduino Z21 DCC Zentrale Sketch

Änderungen:

  • v4.90: NEU: Temperatursensor mit DS18B20 möglich
  • v4.90: Fix: DCC RailCom Cutout Länge.
  • v4.90: NEU: Seriennummer ist die geladene Arduino Z21 Versionsnummer
  • v4.90: NEU: EEPROM wird beim Starten geprüft und beim RESET mit default Werten initialisiert.
  • v4.90: Fix: Kommunikation mit WDP
  • v4.90: Fix: Übertragung LocoNet Belegmerderdaten zur Z21-APP (09.04.2021)
  • v4.91: Fix: LocoNet Daten Verarbeitung
  • v4.91: NEU: Unterstützung ESP32 Plattform
  • v4.92: NEU: Dasiy II LocoNet Support (F9-F28) und Fahrtrichtung invertiert für Intellibox Slave-Mode


Ältere Versionen können über Sourceforge heruntergeladen werden:


notwendige Bibliotheken

Hier sind die notwendigen Bibliotheken aufgeführt. Nur damit ist das Sketch der DCC Zentrale lauffähig. Informationen wie ihr Bibliotheken installiert, findet ihr auf der Arduino Webseite (engl.).


Rechtsbehelf

Hinweis:
Die auf dieser Webseite vorgestellte Software und Schaltungen können für den privaten Gebrauch 
frei genutzt werden, eine kommerzielle Verwertung bedarf einer schriftlichen Genehmigung.
  1. Das Motorola Format (MM) wird nicht unterstützt!
  2. S88N Unterstützung von bis zu 62x Modulen mit je 8 Ports und Raildata (DCC-Signal) .
  3. Bis zu 31 Endgeräte (Roco LokMaus2, Roco MultiMaus) können am XpressNet angeschlossen werden.
  4. Support F0 bis F8